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Projekt
Synergistisches Design von Katalysatoren, Elektroden und Verfahren zur elektrochemischen Stickstoffreduktion mit Kohlenstoff(nitrid)-stabilisierten Zirkoniumnitridsystemen
Fachliche Zuordnung
Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
Förderung
Förderung seit 2026
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 574610964
Das Forschungsprojekt verfolgt einen Ansatz zur Entwicklung und Integration von Kohlenstoff(nitrid)-stabilisierten Zirkoniumnitrid-Katalysatoren für die elektrochemische Stickstoffreduktion (eNRR) mit dem Ziel einer nachhaltigen Ammoniaksynthese. Im Mittelpunkt steht die Entwicklung Kohlenstoff(nitrid)-stabilisierter Zirkoniumnitrid-Katalysatoren, die in ihrer Struktur und Funktion gezielt für den Einsatz unter technisch relevanten Bedingungen optimiert werden. Diese Katalysatoren basieren auf ZrN-Nanopartikeln, die in mikro- und mesoporöse Kohlenstoffmatrices eingebettet und durch dünne Kohlenstoffnitrid-Schichten weiter stabilisiert werden. Dieses Materialdesign adressiert eine der zentralen Herausforderungen der eNRR: Die Aktivierung von molekularem Stickstoff an stabilen, wasserunlöslichen und langzeitstabilen Katalysatoroberflächen. Die Nutzung von Zirkoniumnitrid als aktives Zentrum, kombiniert mit gezielter Oberflächenfunktionalisierung und Defektsteuerung, eröffnet neue Möglichkeiten, den Mechanismus der Stickstoffaktivierung (z.B. über den Mars-van-Krevelen-Mechanismus) zu nutzen und die Selektivität sowie die Faradaische Effizienz der Ammoniakbildung signifikant zu steigern. Parallel zur Materialentwicklung wird im Projekt ein reaktionstechnisch neuartiges Testkonzept verfolgt, das die Katalysatoren in Zero-Gap-Zellen unter erhöhtem Stickstoffdruck evaluiert. Diese Kombination von fortschrittlicher Katalysatorarchitektur und modernster Reaktortechnik stellt ein Novum in der eNRR-Forschung dar. Während bisherige Studien meist auf H-Zellen oder einfache Durchflusszellen bei Umgebungsdruck beschränkt waren, erlaubt der Einsatz von druckstabilen Zero-Gap-Elektrolyseuren die Untersuchung der Katalysatoren unter realitätsnahen, industriell relevanten Bedingungen. Durch die gezielte Erhöhung des Stickstoffdrucks - bis zu 80 bar - und die präzise Steuerung von Temperatur, Gasfluss und Elektrolytzusammensetzung können Massentransportphänomene, Katalysatorstabilität und Leistungsfähigkeit erstmals systematisch und vergleichbar untersucht werden. Dies ermöglicht nicht nur eine realistische Bewertung der Effizienz und Langzeitstabilität der entwickelten Materialien, sondern auch die Identifikation und Optimierung von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen unter technisch relevanten Bedingungen. Das Projekt vereint zwei bislang weitgehend getrennte Forschungsstränge: die gezielte, materialchemische Entwicklung hochleistungsfähiger Katalysatoren und die Umsetzung eines innovativen, druckbasierten Reaktorkonzepts für die eNRR. Durch diese Verzahnung von Katalysator- und Reaktordesign wird ein Verständnis der elektrochemischen Stickstoffreduktion über mehrere Längenskalen hinweg angestrebt. Die geplanten Arbeiten leisten damit einen Beitrag zur Überwindung der bisherigen Limitierungen der eNRR und ebnen den Weg für die Entwicklung energieeffizienter, skalierbarer und industriell einsetzbarer Prozesse zur nachhaltigen Ammoniaksynthese.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
